Astronomia grawitacyjna.

[Lothar.]

Przez ostatnie czterdzieści pięć lat zarówno Stephen, jak i setki innych
fizyków usiłowało zrozumieć dokładną naturę chaotyczności czarnych dziur.
Jest to zagadnienie, które pozwala uzyskać wgląd w aspekty łączenia
mechaniki kwantowej z ogólną teorią względności — czyli wciąż tajemnicze
prawa grawitacji kwantowej.
Jesienią 1974 roku Stephen przyjechał ze swoimi doktorantami i rodziną
(żoną Jane i dwójką dzieci, Robertem i Lucy) na rok do Pasadeny
w Kalifornii, aby wraz ze studentami uczestniczyć w życiu intelektualnym
mojej uczelni, Caltechu, oraz na jakiś czas połączyć siły z moim zespołem
badawczym. Był to cudowny rok, który przypadł w apogeum okresu
zwanego potem złotą epoką badań nad czarnymi dziurami.
Podczas owego roku Stephen, jego studenci i niektórzy z moich studentów
usiłowali głębiej rozpracować kwestie dotyczące czarnych dziur. W pewnej
mierze uczestniczyłem w tym również ja, niemniej obecność Stephena i jego
przewodnia rola w badaniach naszego połączonego zespołu nad czarnymi
dziurami pozwoliła mi podjąć nowy kierunek badawczy, o którym myślałem
od kilku lat, a dotyczący fal grawitacyjnych.
Istnieją jedynie dwie kategorie fal, które są w stanie przemierzać
wszechświat, przynosząc nam informację o dalekich obiektach — fale
elektromagnetyczne (obejmujące światło widzialne, promieniowanie
rentgenowskie, promieniowanie gamma, mikrofale, fale radiowe…) oraz fale
grawitacyjne.
Fale elektromagnetyczne stanowią oscylacje pól elektrycznych
i magnetycznych, które przemieszczają się z prędkością światła. Gdy
napotkają na swojej drodze cząstki naładowane elektrycznie, na przykład
elektrony w antenie radiowej lub telewizyjnej, wprawiają je w drgania,
przekazując im w ten sposób informację, jaką niosą. Drgania te mogą zostać
następnie wzmocnione i przekazane na wejście głośnika lub monitora
telewizyjnego, gdzie informacja ulega przetworzeniu na postać możliwą do
percepcji przez człowieka.
Fale grawitacyjne, według Einsteina, stanowią rozchodzące się
odkształcenie przestrzeni o charakterze oscylacyjnym — przestrzeń ulega
lokalnie na przemian rozciąganiu i ściskaniu. W 1972 roku Rainer (Rai)
Weiss z Massachusetts Institute of Technology skonstruował detektor fal
grawitacyjnych, w którym zwierciadła znajdujące się na końcach i w miejscu
zetknięcia dwóch rur połączonych w kształt litery L są odpychane od siebie
w jednej odnodze przez zaburzenie rozciągające przestrzeń, natomiast
popychane ku sobie w drugiej odnodze przez zaburzenie ściskające
przestrzeń. Rai zaproponował, by do pomiaru wielkości tych oscylacji
zastosować wiązki laserowe. Światło lasera rejestruje wówczas informację
niesioną przez falę grawitacyjną, a następnie sygnał ten zostaje wzmocniony
i poddany obróbce komputerowej, aby mógł być odczytany przez człowieka.
Zmianę paradygmatu badawczego, jaka może nastąpić w konsekwencji
wykrycia fal grawitacyjnych, można porównać do zapoczątkowania
współczesnej astronomii opartej na obserwacjach promieniowania
elektromagnetycznego prowadzonych przez Galileusza, który zbudował
niewielki teleskop optyczny i skierował go na Jowisza, dzięki czemu odkrył
cztery największe księżyce tej planety. W ciągu czterystu lat od czasów
Galileusza astronomia całkowicie zrewolucjonizowała naszą wiedzę
o wszechświecie, wykorzystując nie tylko światło tak jak on, ale i inne
rodzaje fal elektromagnetycznych.
W 1972 roku wraz z moimi studentami zacząłem się zastanawiać, czego
moglibyśmy się dowiedzieć o wszechświecie za pośrednictwem fal
grawitacyjnych, tworząc w ten sposób własną wizję astronomii grawitacyjnej.
Ponieważ fale grawitacyjne polegają na odkształceniu przestrzeni, ich
źródłem są głównie obiekty kosmiczne, które same w całości lub w części
składają się z zakrzywionej czasoprzestrzeni, czyli przede wszystkim czarne
dziury. Doszliśmy zatem do wniosku, że fale grawitacyjne nadają się idealnie
do empirycznego badania i testowania koncepcji Stephena dotyczących
czarnych dziur.
Patrząc w szerszej perspektywie, uważaliśmy, że fale grawitacyjne są
czymś tak radykalnie odmiennym od fal elektromagnetycznych, iż niemal na
pewno staną się podstawą kolejnego przewrotu poznawczego w badaniach
wszechświata, porównywalnego być może z rewolucją elektromagnetyczną
dokonaną przez Galileusza — jeśli te nieuchwytne fale uda się wykryć
i rejestrować. Ale to było bardzo wielkie „jeśli”. Szacowaliśmy, że fale
grawitacyjne docierające do Ziemi są tak słabe, że pod ich wpływem
zwierciadła na końcach rur w instalacji Raia Weissa poruszą się tam
i z powrotem względem siebie o nie więcej niż jedną setną średnicy protonu
(co odpowiada jednej dziesięciomilionowej rozmiarów atomu), nawet gdy są
odległe od siebie o kilka kilometrów. Zmierzenie tak znikomych przesunięć
było zadaniem ogromnie trudnym.
Zatem podczas owego cudownego roku, gdy zespoły Stephena i mój
połączyły swoje siły, spędzałem większość czasu na rozpatrywaniu
technicznych możliwości wykrycia fal grawitacyjnych. Stephen bardzo nam
w tym pomógł, gdyż kilka lat wcześniej on i jego doktorant, Gary Gibbons,
zaprojektowali detektor fal grawitacyjnych (choć go potem nie zbudowali).
Krótko po powrocie Stephena do Cambridge moje dociekania
zaowocowały decyzją podjętą po całonocnej intensywnej dyskusji z Raiem
Weissem w pokoju hotelowym Raia w Waszyngtonie. Doszedłem do
przekonania, że perspektywy na sukces są na tyle duże, iż postanowiłem
poświęcić większość swojej kariery naukowej i energię moich przyszłych
studentów na wspomaganie Raia i innych eksperymentatorów
w urzeczywistnianiu naszej wizji astronomii grawitacyjnej. Reszta, jak to
mówią, jest historią.
14 września 2015 roku detektory fal grawitacyjnych LIGO (zbudowane
w ramach zatrudniającego tysiąc osób projektu, który Rai, ja i Ronald Drever
wspólnie sfinansowaliśmy, a Barry Barish wykonał prace organizacyjne
i montażowe) wykryły i zarejestrowały pierwsze fale grawitacyjne.
Porównując kształt rzeczywistego sygnału z przewidywaniami symulacji
komputerowych, nasz zespół doszedł do wniosku, że ich źródłem jest kolizja
dwóch masywnych czarnych dziur odległych o 1,3 miliarda lat świetlnych od
Ziemi. To był prawdziwy początek astronomii grawitacyjnej. Nasz zespół
dokonał w odniesieniu do fal grawitacyjnych tego, co Galileusz
w odniesieniu do fal elektromagnetycznych.
Jestem głęboko przekonany, że w ciągu kilku najbliższych dziesięcioleci
następne pokolenie astronomów grawitacyjnych nie tylko wykorzysta te fale
do przetestowania sformułowanych przez Stephena praw fizyki czarnych
dziur, ale i zarejestruje sygnał grawitacyjny od osobliwości pierwotnej
naszego wszechświata, co pozwoli zweryfikować teorie Stephena i innych
kosmologów dotyczące tego, jak powstał wszechświat.
W trakcie tego cudownego roku 1974/1975, gdy ja zastanawiałem się nad
falami grawitacyjnymi, a Stephen kierował badaniami naszego połączonego
zespołu nad czarnymi dziurami, sam Stephen wpadł na koncepcję jeszcze
bardziej radykalną niż odkrycie promieniowania Hawkinga. Przedstawił on
przekonujący, prawie niemożliwy do zakwestionowania dowód, że gdy
dochodzi do powstania, a następnie całkowitego wyparowania czarnej dziury
poprzez emisję promieniowania, zawarta w niej informacja zostaje
bezpowrotnie utracona.

[Lothar.]

Nowe przełomowe odkrycia w astronomii fal grawitacyjnych
Dodano: 20.10.2017 :: Kategorie: Aktualności, Sukcesy naszych laureatów
-A A+

Astronomowie po raz pierwszy zarejestrowali jednocześnie dwa typy fal: grawitacyjne i elektromagnetyczne, pochodzące od jednego zjawiska – zderzenia dwóch gwiazd neutronowych. W obserwacjach, prowadzonych przez zespoły badawcze na całym świecie, brali udział również polscy naukowcy, wśród których są również laureaci programów Fundacji – dr hab. Dorota Rosińska z Uniwersytetu Zielonogórskiego (laureatka programów FOCUS i POMOST), prof. Krzysztof Belczyński z  Centrum Astronomicznego im. M. Kopernika PAN w Warszawie (laureat programów FOCUS i MISTRZ), a także prof. Tomasz Bulik z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego (laureat programu TEAM).

17 sierpnia br. naukowcy po raz pierwszy bezpośrednio zarejestrowali fale grawitacyjne – ,,zmarszczki” w czasoprzestrzeni – oraz, jednocześnie, fotony o różnych energiach pochodzące ze zderzenia się gwiazd neutronowych. Była to pierwsza w historii równoczesna detekcja fal grawitacyjnych i światła pochodzącego z tego samego kosmicznego kataklizmu.

Odkrycia dokonały: amerykańskie laserowe interferometryczne obserwatorium fal grawitacyjnych LIGO, europejskie laserowe interferometryczne obserwatorium fal grawitacyjnych Virgo oraz około 70 obserwatoriów naziemnych i kosmicznych.

W projekcie LIGO uczestniczy ponad 1200 naukowców z całego świata, natomiast projekt Virgo to ponad 280 fizyków i inżynierów należących do 20 różnych europejskich grup badawczych, wśród których jest grupa POLGRAW z Polski.

Informacje o odkryciu zostały ogłoszone 16 października br. podczas konferencji prasowych organizowanych równolegle w różnych ośrodkach naukowych na świecie, w tym również i w Warszawie.

Wspólne obserwacje fal grawitacyjnych i światła ze zlewających się dwóch gwiazd neutronowych dają odpowiedź na wiele  fundamentalnych pytań m. in.  jaka jest natura błysków gamma, jak tworzą się metale cięższe niż żelazo, z czego zbudowane są gwiazdy neutronowe, czyli najgęstsze stabilne obiekty, jaka jest prędkość grawitacji, jak szybko rozszerza się Wszechświat – mówi dr hab. Dorota Rosińska, prof. UZ, członkini grupy POLGRAW, która modelowała numerycznie  zlewające  się gwiazdy neutronowe w układach podwójnych,  analizowała dane z detektorów Virgo/LIGO  oraz badała własności populacji układów podwójnych gwiazd neutronowych.

Warto dodać, że za obserwacje fal grawitacyjnych została w tym roku przyznana nagroda Nobla z fizyki, którą otrzymali członkowie zespołu Ligo-Virgo, profesorowie:  K. Thorn, R. Weiss i B. Barish.

Źródło informacji: http://www.infoserwis.uz.zgora.pl/index.php?gwiazdy-neutronowe

Więcej informacji o odkryciu można znaleźć:

    Pierwszy raz wykryto fale grawitacyjne od zderzenia gwiazd neutronowych – serwis PAP Nauka w Polsce http://naukawpolsce.pap.pl/aktualnosci/news,460151,pierwszy-raz-wykryto-fale-grawitacyjne-od-zderzenia-gwiazd-neutronowych.html
    Fizyk: najnowsze obserwacje fal grawitacyjnych to początek nowej epoki w astronomii – serwis PAP Nauka w Polsce http://naukawpolsce.pap.pl/aktualnosci/news,460154,fizyk-najnowsze-obserwacje-fal-grawitacyjnych-to-poczatek-nowej-epoki-w-astronomii.html

Zdjęcie: Foter.com

[Lothar.]

Serwis Informacyjny Uniwersytetu Zielonogórskiego

    Aktualności
    Wydarzenia
    Archiwum
    Kontakt
    Komunikaty SARS-CoV-2

Nowe przełomowe odkrycia w astronomii fal grawitacyjnych

16 października 2017 r.

 
KAZ_8055r.jpg

prof. D. Gondek-Rosińska (fot. K. Adamczewski)

LIGO i Virgo rejestrują pierwsze w historii fale grawitacyjne z układu podwójnego gwiazd neutronowych, to także pierwsza w historii równoczesna detekcja fal grawitacyjnych i światła pochodzących z tego samego kosmicznego kataklizmu.

 

17 sierpnia br. naukowcy po raz pierwszy bezpośrednio zarejestrowali fale grawitacyjne - ,,zmarszczki” w czasoprzestrzeni - oraz, jednocześnie, fotony o różnych energiach pochodzące ze zderzenia się gwiazd neutronowych. To pierwsza w historii równoczesna detekcja fal grawitacyjnych i światła pochodzącego z tego samego kosmicznego kataklizmu.


Odkrycia dokonało amerykańskie laserowe interferometryczne obserwatorium fal grawitacyjnych LIGO, europejskie laserowe interferometryczne obserwatorium fal grawitacyjnych Virgo oraz około 70 obserwatoriów naziemnych i kosmicznych.


Obserwacje były prowadzone  m. in. wieloma teleskopami należącymi do Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO), którego członkiem jest Polska, takimi jak VLT, VST, VISTA, NTT, jak również siecią radioteleskopów ALMA.


Odkrycie to jest potwierdzeniem teorii prof. Bohdana Paczyńskiego. To prof. Paczyński ze swoim współpracownikiem Li-Xin Li w 1998 r. jako pierwsi zaproponowali występowanie optycznych błysków towarzyszących złączeniu gwiazd neutronowych.

 

W projekcie LIGO uczestniczy ponad 1200 naukowców z całego świata, natomiast projekt Virgo to ponad 280 fizyków i inżynierów należących do 20 różnych europejskich grup badawczych, m.in. grupa POLGRAW w Polsce. Wśród polskich naukowców pracuje prof. Dorota Rosińska z Instytutu Astronomii im. prof. Janusza Gila Uniwersytetu Zielonogórskiego, która modelowała numerycznie  zlewające  się gwiazdy neutronowe w układach podwójnych,  analizowała dane z detektorów Virgo/LIGO  oraz badała własności populacji układów podwójnych gwiazd neutronowych.

Wspólne obserwacje fal grawitacyjnych i światła ze zlewających się dwóch gwiazd neutronowych dają odpowiedź na wiele  fundamentalnych pytań m. in.  jaka jest natura błysków gamma? jak tworzą się metale cięższe niż żelazo? z czego zbudowane są gwiazdy neutronowe, czyli najgęstsze stabilne obiekty ? jaka jest prędkość grawitacji ? jak szybko rozszerza się Wszechświat? - mówi prof. Rosinska

 

Gwiazdy neutronowe to najmniejsze i najgęstsze znane nauce gwiazdy, które powstają, gdy masywne gwiazdy zapadają się i eksplodują jako supernowe. Układ dwóch gwiazd neutronowych zacieśnia stopniowo swoją orbitę (gwiazdy zbliżają się do siebie) emitując fale grawitacyjne, które były rejestrowane przez detektory interferometryczne przez około 100 sekund. Wytworzone podczas zderzenia światło w postaci wysokoenergetycznych fotonów gamma zostało wykryte na Ziemi około dwie sekundy po momencie zderzenia. W trakcie kolejnych dni i tygodni wykryto promieniowanie elektromagnetyczne o różnych energiach pochodzące z miejsca zdarzenia - w tym promieniowanie rentgenowskie, ultrafioletowe, optyczne, podczerwone i radiowe.


Detekcja ta dała astronomom bezprecedensową okazję do zbadania procesu zderzenia się dwóch gwiazd neutronowych. Obserwacje dokonane przez US Gemini Observatory, European Very Large Telescope oraz teleskop kosmiczny Hubble’a ujawniają w rejestrowanym świetle linie widmowe nowo powstałych pierwiastków, w tym złota i platyny. Udziela to odpowiedzi na nierozwiązane od dziesiątek lat pytanie, skąd bierze się w Kosmosie około połowa pierwiastków cięższych od żelaza. Wyniki LIGO-Virgo opublikowano dziś w czasopiśmie Physical Review Letters.


Dodatkowe prace zespołów LIGO i Virgo oraz obserwatoriów astronomicznych zostały przekazane lub zaakceptowane do publikacji w różnych czasopismach.

 

Każde obserwatorium rejestrujące fale elektromagnetyczne będzie ogłaszało wyniki swoich własnych szczegółowych obserwacji, jednak już teraz ogólny obraz wyłaniający się z tych obserwacji potwierdza to, że zaobserwowany sygnał fali grawitacyjnej pochodził z układu dwóch zlewających się gwiazd neutronowych. Około 130 milionów lat temu dwie gwiazdy neutronowe znalazły się w wyniku emisji fal grawitacyjnych w odległości około 300 km od siebie, ciągle zwiększając swoją szybkość i nadal zbliżając się do siebie. Taki ruch odkształcał czasoprzestrzeń w sąsiedztwie gwiazd, uwalniając - jeszcze zanim gwiazdy zderzyły się ze sobą — coraz więcej energii w postaci fal grawitacyjnych.

W momencie zderzenia materia obu gwiazd połączyła się w jeden ultra-gęsty i gorący obiekt emitując ,,ognistą kulę” (“fireball”) promieniowania gamma.

Rejestracja czasu nadejścia tego promieniowania w porównaniu z czasem detekcji zderzenia gwiazd w falach grawitacyjnych potwierdziła inne przewidywanie ogólnej teorii grawitacji Einsteina mówiące, że fale grawitacyjne propagują się z prędkością światła.

Teoretycy przewidzieli, że po błysku gamma pojawi się “kilonova” (przez podobieństwo do zjawiska supernowej) - wybuch o nieco mniejszej niż supernowa energii, w którym materia pozostała po zderzeniu się gwiazd neutronowych, emitująca nieco promieniowania widzialnego, jest wyrzucana z miejsca zderzenia daleko w przestrzeń. Obserwacje tego promieniowania widzialnego wskazują na tworzenie się ciężkich pierwiastków, takich jak ołów i złoto, które są następnie rozpraszane we Wszechświecie. W najbliższych tygodniach i miesiącach teleskopy na całym świecie będą kontynuować obserwacje poświaty powstałej po zderzeniu się gwiazd neutronowych, zdobywając nowe informacje o różnych etapach tego procesu, o jego oddziaływaniu na kosmiczne otoczenie i o mechanizmach produkcji ciężkich pierwiastków we Wszechświecie.

 

A już w poniedziałek, 23 października br. o godz. 16.00 w Sali 106 Wydziału Fizyki i Astronomii przy ul. Szafrana 4A odbędzie się wykład prof. Doroty Rosińskiej na temat nagrody Nobla, tj. przełomowego odkrycia fal grawitacyjnych.